В приспособлениях для закрепления деталей

В качестве средств механизации закрепления заготовок в приспособлениях используются пневматические, гидравлические, электромеханические, электромагнитные, магнитные, вакуумные, электростатические и пружинные приводы. Выбор привода станочного приспособления определяется конструкцией станка, размерами партии обрабатываемых деталей, их конструкцией и другими факторами. Применение пневматических и гидравлических приводов обеспечивает возможность повышения производительности обработки также за счет автоматизации подвода-отвода или поворота прихватов, что особенно эффективно при наличии большого числа последних.

Пневматические приводы используют сжатый воздух давлением 0,4...0,5 МПа от цеховых сетей. Такие приводы не нуждаются в специальных источниках энергии, не требуют возвратных трубопроводов, так как отработанный воздух выпускается в окружающую среду; отсутствует необходимость смены рабочей среды, что происходит, например, в гидроприводах в результате загрязнения масла.

Основным недостатком пневматических приводов является низкое давление рабочей среды – воздуха, что ограничивает область их использования.

Для непосредственного закрепления заготовок штоком поршня или посредством простых рычажных механизмов пневмоприводы применяют лишь в тех случаях, когда требуется ограниченная сила зажима, т.е. при небольших силах резания при обработке заготовок с малым припуском или заготовок из мягких материалов. При больших силах зажима для уменьшения диаметра цилиндров используют механизмы-усилители (рычажные, шарнирно-рычажные, клиновые, клинорычажные и др.), что увеличивает ход поршня пневмоцилиндра, усложняет конструкцию, увеличивает габаритные размеры, массу и стоимость приспособлений, а также площадь, необходимую для их хранения. Поэтому пневматические приводы целесообразно применять лишь при отсутствии пространственных ограничений, в случаях неснимаемости приспособлений со станка, т.е. в специальных приспособлениях для крупносерийного и массового производства или в универсально-наладочных приспособлениях для мелкосерийного производства.

В качестве объемных пневмоприводов зажимных механизмов приспособлений используют поршневые и мембранные пневмоцилиндры.

Поршневые пневмоцилиндры подразделяют на стационарные (линейного действия) и вращающиеся. Поршневые пневмоцилиндры бывают одностороннего (рис. 5.9 а) и двухстороннего (рис. 5.9 б) действия.

а)
б)
в)	г)

Рис. 5.9. Пневмоцилиндры: а, б – поршневые одно- и двухстороннего действия соответственно; в – поршневой вращающийся; г – мембранный; 1 – пружина; 2 – воздухопроводящая муфта; 3 – корпус; 4 – поршень; 5 – крышка;
6 – гайка; 7 – шток

В цилиндрах одностороннего действия обратный ход поршня осуществляется с помощью возвратной пружины 1, а двухстороннего действия – сжатым воздухом. Преимущества цилиндров одностороннего действия – вдвое меньший расход воздуха, экономия в стоимости трубопроводов; недостаток – ограниченный ход поршня, так как при больших ходах из-за наличия возвратных пружин длина цилиндра значительно увеличивается. Цилиндры двухстороннего действия – наиболее распространенный тип пневмоцилиндров, широко используемый для механизации и автоматизации приспособлений.

Вращающиеся пневмоцилиндры применяют в тех случаях, когда необходимо периодическое (в делительных устройствах) или непрерывное (в токарных и шлифовальных станках) вращение. Во вращающихся пневмоцилиндрах (рис. 5.9 в) рабочие полости образованы поверхностями корпуса 3, крышки 5 и поршня 4 со штоком 7. Поршень фиксируется гайкой 6. С помощью воздухопроводящей муфты 2 пневмоцилиндры соединяются с сетью подачи сжатого воздуха.

Вращающиеся цилиндры двухстороннего действия могут быть однопоршневые и двухпоршневые (сдвоенные).

Основным условием работы пневмоцилиндра является его полная герметичность. Пневмоцилиндр герметичен, если сжатый воздух, поступающий в его полости, не утекает в атмосферу и не просачивается из одной полости в другую. Для герметизации пневмоцилиндров применяют уплотнения кольцевых зазоров в сопряжениях поршней с внутренними поверхностями корпуса и штоков с отверстиями.

Мембранные пневмоцилиндры (рис. 5.9 г) могут быть одностороннего и двухстороннего действия, а в зависимости от числа рабочих полостей – одинарные, сдвоенные или встроенные. Конструкция таких цилиндров более простая, чем поршневых цилиндров. Качество сжатого воздуха не оказывает существенного влияния на их работоспособность. Недостатком является непостоянство силы зажима, уменьшающейся по мере увеличения хода штока в результате прогиба мембраны, сопротивление которой будет тем больше, чем больше ход штока. Поэтому мембранные цилиндры рекомендуется применять лишь при небольших ходах штока.

Оптимальная длина хода штока мембранного пневмоцилиндра одностороннего действия с тарельчатой резинотканевой мембраной равна (0,25...0,35) D, с плоской резинотканевой мембраной –(0,18...0,22) D.

Гидравлические приводы зажимных механизмов приспособлений имеют по сравнению с пневматическими ряд существенных преимуществ. Благодаря увеличению давления рабочей жидкости в 20 раз и более (100 МПа и выше) по сравнению с давлением сжатого воздуха для получения идентичных сил зажима диаметры рабочих цилиндров значительно уменьшаются. Высокое давление рабочей жидкости в цилиндрах позволяет передавать силу зажима непосредственно штоком цилиндров зажимным элементам, исключая применение механических механизмов-усилителей и сложных механических передач, повышая КПД передачи, упрощая конструкцию и сокращая габаритные размеры приспособлений и их массу, что облегчает смену и установку приспособлений на столе станка, их транспортирование, а также значительно уменьшает площадь, необходимую для их хранения.

В гидравлических приспособлениях путем применения индивидуальных цилиндров конструктивно просто осуществлять многоточечные зажимы, т. е. широко применять приспособления для многоместной и многопозиционной обработки. На рис. 5.10 показано многоместное гидрофицированное приспособление.

В зависимости от назначения и мощности гидравлический привод может обслуживать одно приспособление, группу из трех–пяти приспособлений на нескольких станках или группу из 25–35 приспособлений, установленных на различных станках цеха.

Гидроприводы приспособлений функционируют по циклу: подвод зажимных элементов – зажим заготовки – отвод зажимных элементов. В этом цикле гидроприводы работают с различными давлениями и расходом масла. При подводе (отводе) зажимных элементов расход масла максимальный, а давление минимальное, что обусловлено гидравлическими и механическими сопротивлениями. В период зажима при обработке заготовки на станке гидропривод работает с максимальным давлением и минимальным расходом масла.

В зависимости от вида источника давления (приводящего двигателя) гидравлические приводы подразделяют на механогидравлические (гидроприводы с ручным насосом), электрогидравлические (электронасосные гидроприводы) и пневмогидравлические.

Рис. 5.10. Многоместное гидрофицированное приспособление: 1 – корпус;
2 –заготовка; 3 – индивидуальный гидропривод; 4 – трубопровод для подачи масла в гидросистему приспособления

Источником высокого давления масла в механогидравлических приводах являются ручные насосы. Высокое давление масла создается за счет небольшого усилия рабочего (100... 150 Н), прикладываемого к рукоятке насоса. Компактные и недорогие механогидравлические приводы, не нуждающиеся во внешнем источнике энергии (за исключением усилия рабочего), являются наиболее простым средством механизации зажимов станочных приспособлений. Они обеспечивают одновременно одинаковую во всех точках, регулируемую по величине соответствующей настройкой предохранительного клапана силу закрепления заготовки.

Ручные насосы бывают рычажные и винтовые. По числу ступеней расхода масла и давлений эти насосы подразделяют на одноступенчатые (прямого действия) и двухступенчатые (последовательного действия).

Одноступенчатый винтовой насос (рис. 5.11) состоит из корпуса 1, в отверстии которого установлен поршень 2. При вращении винта 3 поршень перемещается, вытесняя масло из подпоршневой полости в гидроцилиндры приспособления. Для разжима заготовки винт вращают в противоположном направлении. При этом поршень перемещается назад. Масло под действием возвратной пружины 5 поршня вытесняется из гидроцилиндра 4 одностороннего действия в подпоршневую полость насоса (гидропривод с замкнутой циркуляцией).

Рис. 5.11. Схема одноступенчатого винтового насоса: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – винт; 4 – гидроцилиндр; 5 – возвратная пружина

Механогидравлические приводы эффективны в мелкосерийном производстве при закреплении заготовок на столе станка, а также на станках, где подвод воздуха или масла представляет значительные трудности, например на расточных станках с поворотным столом, имеющим также продольный ход.

Электрогидравлические приводы, в которых источником высокого давления масла (нагнетательным агрегатом) являются электронасосы, подразделяются на индивидуальные и групповые. Индивидуальные предназначены для приспособлений, устанавливаемых на одном станке. Групповые обслуживают одновременно группу станков.

В гидроприводах приспособлений для создания нужного давления применяют шестеренные, пластинчатые и роторно-поршневые насосы непрерывного действия с постоянной подачей рабочей среды.

Для сокращения времени, затрачиваемого на зажим-разжим заготовок в приспособлениях с гидравлическими приводами, применяют зажимные механизмы с автоматическим подводом-отводом или поворотом прихвата.

На рис. 5.12 а показан зажимной механизм, в котором подвод-отвод прихвата осуществляется автоматически. При перемещении штока 7 поршня гидроцилиндра 8 вверх пружина 5 сжимается и втулка 6 перемещает прихват 1 рычагом 2, установленным на оси 3, к заготовке 9. При дальнейшем перемещении поршня штырь 4 посредством прихвата закрепляет заготовку.

Автоматический поворот Г-образного прихвата (рис. 5.12 б) происходит следующим образом. При перемещении поршня 12 вниз прихват 10 поворачивается в рабочее положение благодаря винтовой канавке, выполненной на его цилиндрической поверхности, взаимодействующей с концом винта 11. При дальнейшем перемещении поршня прихват закрепляет заготовку 9.

а)	б)

Рис. 5.12. Зажимные механизмы с автоматическим подводом-отводом (а) и поворотом (б) прихвата: 1– прихват; 2 – рычаг; 3 – ось; 4 – штырь; 5 – пружина; 6 – втулка; 7 – шток поршня; 8 – гидроцилиндр; 9 – заготовка;
10 – прихват; 11 – винт; 12 – поршень

Пневмогидравлические приводы являются наиболее эффективным и перспективным типом привода станочных приспособлений, так как, используя энергию низкого давления сжатого воздуха цеховых сетей, создают пневмогидропреобразователем и поддерживают в гидроцилиндрах высокое давление масла (10 МПа и выше). Эти приводы сочетают в себе преимущества пневмо- и гидроприводов.

В качестве источника давления масла таких приводов применяют пневмогидравлические преобразователи давления, которые устанавливают на столах станков или около них и соединяют поочередно с гидросистемой приспособлений, размещенных на этих станках, быстроразъемными соединениями.

По числу ступеней давлений и расхода масла преобразователи подразделяют на одно- и двухступенчатые (прямого и последова­тельного действия). Одноступенчатые пневмогидравлические преобразователи давления (рис. 5.13 ) состоят из двух цилиндров: пневматического 1 и гидравлического 2, причем шток поршня пневмоцилиндра является одновременно плунжером гидроцилиндра. Давление масла, создаваемое преобразователем, увеличивается во столько раз по сравнению с давлением воздуха, во сколько раз площадь поршня преобразователя больше площади штока.

Рис. 5.13. Схема однотупенчатого пневмогидравлического преобразователя давления: 1, 2 – соответственно пневмо- и гидроцилиндры

Электромеханические приводы зажимных механизмов обладают рядом преимуществ: потребляют энергию только во время зажима или разжима заготовки; обеспечивают большую мощность при небольших габаритах; их можно подключать к системе управления станка без дополнительных затрат. В этих приводах отсутствуют источники давления рабочей среды (масла или воздуха); они имеют высокую надежность; нетребовательны к уходу; недороги.

Однако при закреплении заготовки несколькими зажимными элементами или закреплении нескольких заготовок в многоместных приспособлениях (рис. 5.10) целесообразно применять пневматические и особенно гидравлические приводы, так как они позволяют достаточно простомногократно закреплять заготовки, в то время как электромеханические приводы для этой цели требуют наличия сложных передаточных механизмов. Электромеханические приводы следует использовать для механизации токарных патронов и тисков поджима заготовок вращающимися центрами пинолей бабок, в качестве гайковертов и винтов приспособлений, для закрепления инструмента на фрезерных и расточных станках.

Рассмотрим схему электромеханического привода патрона токарного станка, показанную на рис. 5.14 а. Привод состоит из электродвигателя 1 с редуктором 2, закрепленных на заднем конце шпинделя станка. Выходной вал редуктора соединен муфтой 3 с винтом 5, при вращении которого гайка 6 перемещает тягу, передающую через рычаг 7 усилие кулачкам 8 патрона, зажимающим заготовку 9. Сила зажима регулируется пружиной 4. По достижении требуемой силы торцовые зубцы муфты отжимают правую полумуфту, разъединяя винт 5 с валом редуктора. При этом наблюдается характерное прощелкивание зубцов муфты, что служит акустическим сигналом для отключения электродвигателя. Правые и левые скосы зубьев муфты выполнены под различными углами аир (рис. 5.14 б), что обеспечивает наличие крутящего момента при раскреплении заготовки, большего, чем при закреплении. Это обусловливает высокую надежность работы, так как для вывинчивания винта 5 с самотормозящейся резьбой вследствие заклинивания резьбы требуется больший крутящий момент, чем при завинчивании.

Рис. 5.14. Схема электромеханического привода: 1 – электродвигатель;
2 – редуктор; 3 – муфта; 4 – пружина; 5 – винт; 6 – гайка; 7 – рычаг; 8 – кулачки патрона; 9 – заготовка

Электромагнитные и магнитные приводы приспособлений не требуют наличия зажимных элементов, благодаря чему упрощается конструкция приспособлений и сокращаются их габаритные размеры, так как вся поверхность приспособлений может быть использована непосредственно для установки заготовок. Закрепление заготовок осуществляется не сосредоточенной нагрузкой зажимных элементов, а равномерным притяжением заготовки к установочной поверхности приспособления, что сводит к минимуму погрешность закрепления, повышая точность обработки заготовки. Эти приспособления проще и дешевле пневматических и гидравлических. Источником энергии электромагнитных и магнитных приспособлений служит магнитный поток, который создает силу, препятствующую отрыву закрепляемой заготовки от приспособления. Заготовка в этом случае является частью магнитопровода. Станочные приспособления с электромагнитным приводом изготовляют в виде плит и патронов.

На рис. 5.15 показан общий вид электромагнитных плит различных форм и приведена их принципиальная схема. Электромагнитная плита состоит из корпуса 1 и верхней плиты 4, в сквозных пазах которой установлены полюсники 5, отделенные от плиты немагнитными проставками 6. Внутри плиты находятся сердечники 2 и катушки 3. При прохождении через последние постоянного тока напряжением 24, 48 или 110 В в сердечниках возбуждается магнитный поток, замыкающийся через полюсники 5 заготовку 7, плиту 4 и корпус 1. При этом заготовка притягивается к плите. Для раскрепления заготовки после ее обработки ток отключают и заготовку снимают с плиты. Для снятия остаточного магнетизма заготовку помещают на демагнетизатор.

Приспособления с постоянными магнитами имеют перед электромагнитными приспособлениями следующие преимущества: не требуется наличие источника постоянного тока для питания магнитов; надежность работы в 3–4 раза выше; жесткость плиты почти в 2 раза выше; плита более чем в 2 раза толще, следовательно, допускает гораздо большее число перешлифовок; обеспечивает большую точность обработки благодаря отсутствию тепловых деформаций; сила притяжения плит одинаковых габаритов почти в 2 раза больше, чем электромагнитных.

а)	б)
в)

Рис. 5.15. Прямоугольная (а) и круглая (б) электромагнитные плиты и их принципиальная схема (в): 1 – корпус; 2 – сердечник; 3 – катушка;
4 – плита; 5 – полюсники; 6 – немагнитная проставка; 7 – заготовка

Принцип действия вакуумного привода основан на непосредственной передаче атмосферного давления на закрепляемую заготовку. При этом между установочной поверхностью заготовки и полостью создается вакуум и заготовка прижимается избыточным атмосферным давлением. Приспособления с вакуумным приводом позволяют закреплять заготовки из любых материалов, а также нежесткие тонкие заготовки (до 0,15 мм) больших габаритных размеров без деформации, поскольку сила зажима распределяется равномерно по всей поверхности заготовки.

Конструкция приспособления с вакуумным приводом чрезвычайно проста (рис. 5.16 а). Корпус 1 приспособления устанавливают и закрепляют на столе станка. С помощью штуцера 3 и специального резинового шланга камера приспособления соединяется с энергетической установкой, создающей вакуум. Штуцер крепится к корпусу по одному из двух вариантов (I или II— см. рис. 5.16 а). Вариант II – предпочтительней. Резиновая прокладка 2, размещаемая в канавке корпуса, служит для уплотнения камеры приспособления и поддержания устойчивого разрежения в ней.

а)

б) в)

Рис. 5.16. Конструкция (а) и схемы работы (б, в) приспособления с вакуумным приводом: 1 – корпус; 2 – резиновая прокладка; 3 – штуцер; 4 – заготовка

В загрузочной позиции (рис. 5.16 б) закрепляемая заготовка 4 устанавливается на резиновую прокладку 2 так, чтобы последняя не выступала из-под заготовки. После включения приспособления (рис. 5.16 в) из его полости откачивается воздух и под заготовкой создается вакуум. Под действием атмосферного давления р_а заготовка 4, сжимая резиновую прокладку, прижимается к опорной плоскости корпуса – происходит закрепление ее в приспособлении.

Электростатические приводы используют в зажимных приспособлениях для закрепления немагнитных заготовок, а также тонких и мелких ферромагнитных заготовок, которые не могут быть закреплены на магнитных приспособлениях с обычным шагом между полюсами. На плоскошлифовальных и токарных станках применяют соответственно электростатические плиты и патроны. В электростатических плитах заготовки притягиваются к поверхности плиты под действием статических электрических зарядов противоположной полярности. Поверхность плиты имеет полярность одного знака, а полярность заготовки – противоположного. В основание стола встроен нагревательный элемент малой мощности, поддерживающий температуру рабочей поверхности стола на несколько градусов выше, чем температура окружающей среды, что предотвращает конденсацию влаги из воздуха.

Заготовки устанавливают на поверхность плиты в жидкий диэлектрик для предотвращения попадания воздуха (между заготовкой и диэлектрической пленкой), вызывающего ионизацию, сокращающую количество электрических зарядов на поверхности заготовки. При закреплении на плите нескольких мелких заготовок они обязательно должны контактировать друг с другом и по меньшей мере одна из них должна контактировать с токопроводящей пластиной. Электростатические плиты особенно эффективны при шлифовании тонких заготовок.

На рис. 5.17 показана схема электростатической плиты. Плита состоит из полупроводникового элемента 4, изолированного от чугунного корпуса 1 и основания 10 диэлектрическими прокладками 2 и 9. Полупроводниковый элемент через токопроводящий слой 8 соединен с одним полюсом выпрямителя 7, а токопроводящая пластина 6 через корпус и основание – с противоположным полюсом, к которому подводится переменный ток напряжением 110 В, преобразуемый в постоянный ток напряжением 3000 В. На поверхность полупроводникового элемента нанесен слой 3 эпоксидной смолы. Заготовку 5 устанавливают таким образом, чтобы она контактировала с пластиной 6. При замыкании электрической цепи постоянный ток небольшой силы подводится к полупроводниковому элементу и заготовке, получающим заряды статического электричества противоположной полярности, вследствие чего заготовка притягивается к поверхности плиты.

Рис. 5.17. Схема электростатической плиты: 1 – корпус; 2, 9 – диэлектрические прокладки; 3– слой эпоксидной смолы; 4 – полупроводниковый элемент; 5 – заготовка; 6 – токопроводящая пластина; 7 – выпрямитель; 8 – токопроводящий слой; 10 – основание

Электростатические плиты используются для закрепления заготовок из алюминия, бронзы, меди, магния и других подобных материалов. На них также могут быть закреплены заготовки из диэлектрических материалов – стекла, керамики, пластмассы, резины и т. д. Заготовки из таких материалов предварительно покрывают металлическим порошком или токопроводящим лаком. По сравнению с магнитными плитами электростатические создают меньшие силы притяжения. Для надежного закрепления заготовки необходимо, чтобы ее установочная поверхность имела небольшую шероховатость.

Пружинные приводы зажимных механизмов приспособлений обеспечивают закрепление заготовок за счет силы упругости пружин, а раскрепление – пневматическими, гидравлическими, электромеханическими приводами или приводами подвижных частей станка. При этом достигается полная безопасность закрепления заготовок. Однако силы зажима колеблются в зависимости от изменения допуска размера заготовки. В тисках с пружинным зажимом и гидравлическим разжимом пакет тарельчатых пружин, воздействуя на подвижную губку, закрепляет заготовку. Для разжима заготовки в гидроцилиндр подается масло под давлением. Поршень гидроцилиндра, сжимая пакет пружин, разжимает заготовку.